Fotosynthetische organismen oogsten licht van de zon om de energie te produceren die ze nodig hebben om te overleven. Een nieuw artikel gepubliceerd door onderzoekers van de Universiteit van Chicago onthult hun geheim:het exploiteren van de kwantummechanica.

"Vóór deze studie, de wetenschappelijke gemeenschap zag kwantumsignaturen gegenereerd in biologische systemen en stelde de vraag:waren deze resultaten slechts een gevolg van het feit dat biologie is opgebouwd uit moleculen, of hadden ze een doel?" zei Greg Engel, Hoogleraar chemie en senior auteur van het onderzoek. "Dit is de eerste keer dat we zien dat biologie actief gebruikmaakt van kwantumeffecten."

De wetenschappers bestudeerden een type micro-organisme dat groene zwavelbacteriën wordt genoemd. Deze bacteriën hebben licht nodig om te overleven, maar zelfs kleine hoeveelheden zuurstof kunnen hun delicate fotosynthetische apparatuur beschadigen. Dus moeten ze manieren ontwikkelen om de schade te minimaliseren wanneer de bacterie zuurstof tegenkomt.

Om dit proces te bestuderen, onderzoekers volgden de beweging van energie door een fotosynthetisch eiwit onder verschillende omstandigheden - met zuurstof eromheen, en zonder.

Ze ontdekten dat de bacterie een kwantummechanisch effect gebruikt dat vibronische menging wordt genoemd om energie tussen twee verschillende paden te verplaatsen. afhankelijk van of er wel of geen zuurstof in de buurt is. Vibronische menging omvat trillings- en elektronische kenmerken in moleculen die aan elkaar worden gekoppeld. In essentie, de trillingen vermengen zich zo volledig met de elektronische toestanden dat hun identiteit onafscheidelijk wordt. Deze bacterie gebruikt dit fenomeen om energie te leiden waar het heen moet.

Als er geen zuurstof in de buurt is en de bacterie veilig is, de bacterie gebruikt vibronische menging door het energieverschil tussen twee elektronische toestanden te matchen in een verzameling moleculen en eiwitten die het FMO-complex wordt genoemd, met de energie van de vibratie van een bacteriochlorofylmolecuul. Dit stimuleert de energie om door de 'normale' weg naar het fotosynthetische reactiecentrum te stromen, die vol zit met chlorofyl.

Maar als er zuurstof in de buurt is, het organisme is geëvolueerd om de energie door een minder direct pad te sturen waar het kan worden geblust. (Het blussen van energie is vergelijkbaar met het plaatsen van een handpalm op een trillende gitaarsnaar om energie af te voeren.) de bacterie verliest wat energie maar spaart het hele systeem.

Om dit effect te bereiken, een paar cysteïneresiduen in het fotosynthetische complex werkt als een trigger:ze reageren elk met de zuurstof in de omgeving door een proton te verliezen, die de vibronische menging verstoort. Dit betekent dat energie nu bij voorkeur via het alternatieve pad gaat, waar het veilig kan worden geblust. Dit principe lijkt een beetje op het blokkeren van twee rijstroken op een snelweg en het omleiden van een deel van het verkeer naar lokale wegen waar veel meer afritten zijn.

"Wat interessant is aan dit resultaat, is dat we zien dat het eiwit de vibronische koppeling in- en uitschakelt als reactie op omgevingsveranderingen in de cel, " zei Jake Higgins, een afgestudeerde student in de afdeling Scheikunde en de hoofdauteur van het papier. "Het eiwit gebruikt het kwantumeffect om het organisme te beschermen tegen oxidatieve schade."

Deze bevindingen brengen een opwindende nieuwe onthulling over biologie teweeg; het gebruik van een expliciet kwantummechanisme om het systeem te beschermen, toont een belangrijke aanpassing aan en dat kwantumeffecten belangrijk kunnen zijn om te overleven.

Dit fenomeen is waarschijnlijk niet beperkt tot groene zwavelbacteriën, zeiden de wetenschappers. Zoals Higgins uitlegde, "De eenvoud van het mechanisme suggereert dat het mogelijk wordt gevonden in andere fotosynthetische organismen in het evolutionaire landschap. Als meer organismen in staat zijn om kwantummechanische koppelingen in hun moleculen dynamisch te moduleren om grotere veranderingen in de fysiologie te produceren, er zou een hele nieuwe reeks effecten kunnen zijn die door de natuur zijn geselecteerd waar we nog niets van weten."